射频封装技术：层压基板和无源器件集成

射频和无线产品领域可以使用非常广泛的封装载体技术，它们包括引线框架、层压基板、低温共烧陶瓷（LTCC）和硅底板载体（Si Backplane）。由于不断增加的功能对集成度有了更高要求，市场对系统级封装方法（SiP）也提出了更多需求。

引线框架基板封装技术在过去的几年中得到了巨大的发展，包括刻蚀电感、引脚上无源器件、芯片堆叠技术等等。框架基板是成本最低的选择，但是更高的功能性要求更多的布线和更多的垂直空间利用，因而，框架封装很少用在RF集成解决方案中。

LTCC因其具有多层结构、高介电常数和高品质因子电感，已经被证明是一种能提供高集成度的高性能基板材料。LTCC方案中实现了无源器件的嵌入，如独立RCL或包含RCL的功能块，使SMT器件所需平面空间最小，同时提高电性能。集成度是LTCC的优点，然而翘曲、裂纹、基板的二级可靠性、以及整个供应链结构（基板在封装过程中的传送）等等对LTCC的局限，使之无法成为流行的载体基板选择。

硅底板载体，如STATS ChipPAC的芯片级模块封装（CSMP：Chip Scale Module Package），已经广泛地使用于需要高集成度、卓越电性能和小外形系数的无线解决方案中。CSMP是一种全集成解决方案的理想封装形式，可以包括RFIC和基带IC。然而，这样的集成度并不是成本最低的，而且也不是所有的射频和无线设备都需要的。

这些原因将我们引向层压基板，一种在射频模块封装中应用最广泛的载体。该方法结合了传统的层压基板技术与无源器件集成技术（IPD：Integrated Passive Device），成为一种在成本、尺寸、性能与灵活性诸方面能达到最佳平衡的双赢解决方案。本文对带IPD器件的层压基板的应用进行讨论，同时通过两个例子来进一步阐述研究。

IPD与SMD 和LTCC分立器件电路的对比

射频模块需要用到独立的RCL或组合的RCL，来实现诸如滤波器、天线分离滤波器（diplexer）、不平衡变压器（balun）等的功能块，这些RCL通常为SMD（Surface Mount Devices表面贴装器件）形式或IPD形式。

传统的层压基板不能很好地适用于嵌入式无源器件，而高介电材料层压又受到很大成本限制。螺旋电感可以设计在层压基板的内部，但是电感值却有限。因此，在使用层压基板时，更倾向于结合SMT器件和IPD，这样具有成本、外形尺寸和性能等等方面的优势。

对于何时使用表面贴装器件、何时将特定的无源器件设计成IPD更合理，需要进行权衡。例如，当需要大于100.0pF的电容器设计时，使用SMT器件就具有尺寸与成本的优势。

另外，当设计中需要比较少量的解耦电容器或独立电感和电阻时，通常推荐使用SMT无源器件方式。表面贴装器件可以充分利用所占空间的Z方向，而IPD则主要利用XY方向，后者对Z高度方向的空间利用很有限，因此，当IPD器件表面面积超出可利用的空间，使用表面贴装元件就比较明智。为了找到在IPD和SMT器件之间最佳平衡，我们研究出可以描述器件值与IPD需要的面积关系的曲线（图1）供设计参考。

图1、在硅基板上制作的IPD的电感和电容

使用硅基IPD技术，一个0201 SMD器件的面积（0.15mm²）内可以产生25.0nH的电感，或者50.0pF的电容。换言之，对于容量小于25.0nH的电感或小于50.0pF的电容，IPD器件/电路方案的外形尺寸比0201器件更小。

当涉及到射频功能块时，IPD方案常常会胜出，其中有多种原因。首先，尽管硅基IPD制成的电感也必须使用螺旋形式，但它可以使用更小的线宽和隔离空间。另外，高电阻的硅基片上允许制成具有更高品质因子的电感。因而，一个IPD电感的质量和外形系数可以与SMD器件媲美；第二，电容尤其是小容量电容（RF应用中）更容易建在IPD中；最后，与PCB上连接SMD器件，或者LTCC内部连接相比较，硅基板上的互连路径更短。

这里有一个例子，对于一个超宽频（UWB）应用滤波器，现有的LTCC滤波器尺寸是3.2mm×2.5mm×0.8mm，如果在IPD中使用相同的布局来实现，尺寸将会是1.6mm×1.0mm×0.5mm（图2）。IPD滤波器除了具有更薄的外形以外，尺寸缩小了5倍。

图2、LTCC滤波器(a)和IPD滤波器(b)尺寸比较

我们也对其它情况进行了比较，总而言之，对于滤波器（比如LPF 或BPF），IPD可以获得小五倍的外形，对于不平衡变压器，使用IPD的外形可小两倍。

另外还有一种方法，通过使用嵌入式电感（层压板内部）和SMT电容来制作滤波器这类功能块。这样做的结果是，除了占用面积超过LTCC或IPD以外，在性能方面也有局限。此外，由于组装一个整体的集成功能块的过程被拆分成两部分（PCB电感和SMT电容），封装要获得好的良率就必须对组装工艺提出更严格的要求。

SMT器件具有大小不同的尺寸。在射频模块应用中，当前最常用的是0201。更小尺寸的01005器件刚刚出现，但是它们通常比较昂贵而且器件值也有限。这些SMT器件的贴放通常使用高速贴片机，然后通过回流焊接在层压板上。

图3、一个RF模块中，IPD键合在层压基板上(a)，或IPD倒装在基板上

IPD可以是裸芯片形式或凸点器件，然后通过引线键合或倒装焊接到基板上（图3）。凸点IPD芯片可以和SMT器件一起使用高速贴片机进行贴放，贴装完成后，其它芯片可以通过引线键合直接放到基板上。

示例研究＃1——GSM匹配电路

在一个RF接收器中，需要使用一些匹配电路，来提高PA和LNA这些有源电路的性能。这些匹配电路包括RCL器件。由于考虑成本和性能，这些RCL器件可以从芯片中去除，并通过SMD或IPD形式实现。

我们对一个客户的GSM传送模块使用片外匹配器，并进行了对比研究。在该模块中，有73个用于匹配电路和DC解耦的无源器件，如果只使用SMD元件（假设所有器件可选用0201），封装尺寸将是11mm×11mm。然而，如果某些器件用IPD形式实现，模块的尺寸可以得到明显的缩小（表1）。

表1、SMD和IPD方案封装尺寸的比较

对于这些GSM的低频（860MHz）和高频（1800MHz）匹配器，IPD方法非常适合。除了一些大容量的解耦电容，55个RCL可以制作在一个尺寸更小的IPD网络中，封装大小可以达到7mm×7mm。为了简化，布线的复杂度在所有的示例中没有考虑。

应当注意到，IPD网络是被当作一个集成芯片来对待的，因为它的外形系数和厚度都与一个集成电路相近。IPD网络与传送芯片堆叠，虽然增加了模块的厚度，但由于IPD仅仅0.25mm厚，对厚度的增加没有明显的影响。因此，IPD封装堆叠节省了空间，并可以通过引线键合或者倒装焊的形式，堆叠在另外一个芯片的上方或下方。

示例研究#2 ——GSM不平衡变压电路（Balun Circuits）

为了抑制噪声和提高PA性能，常常对PA采用微分输出设置，因而，需要一个变压器，来将单步端转换到微分端。然而，业界能提供的变压器具有固定的阻抗变压比，例如50.0～100.0Ω变压器或50.0～200.0Ω变压器。大多数的PA具有低的输出阻抗，以传送高功率。这就需要在变压器和PA之间设置一个匹配电路，如图5（b）所示。在该例中，功率放大器（PA）输出匹配电路和变压器功能块，被用来展示使用IPD技术的功效。

图4、两种方案的封装比较

应用中有GSM低频（860MHz）和GSM高频（1800MHz）电路。对每个频带，有一个匹配电路和一个变压器，将一个微分功放输出转换到单步端输出（50.0Ω）。该产品现有形式中，客户使用了标准芯片多层LTCC变压器，尺寸分别为2.0mm×1.25mm×0.95mm和1.6mm×0.8mm×0.6mm。由于标准的变压器有50.0～200.0Ω阻抗转换，和特定的功放输出阻抗不匹配，该模块需要一个独立的匹配电路（4 RCL器件）在功放和变压器之间。现有的LTCC+SMD的解决方案如表2所示。

表2、使用IPD和分离器件的面积比较

由于可以设计一个IPD变压器来匹配任何的功放输出阻抗，因此没有必要使用独立的匹配电路（每个频带4个RCL）。换言之，匹配功能可以嵌入到Balun变压器中。IPD方案的整体尺寸为2.5mm²，大约比现有的LTCC+SMD方案的尺寸小四倍。除此之外，IPD匹配器和变压器电路只有大约0.25mm高，这也比离散的LTCC器件薄。

图5、（a）GSM高低频段中的IPD Balun。尺寸为1.5mmX1.0mm和1.0mmX1.0mm。匹配的功能已经嵌入在Balun变压器中；（b）输出匹配电路和变压器功能块解决方案示意

该IPD解决方案完全去除了在匹配器和变压器模块中使用SMD器件，它不仅使面积缩小了四倍，而且大大降低了封装过程的成本。由于其集成在一个IPD模块中，而非使用一个LTCC分离器件Balun变压器和四个RCL，良率和工艺变化的影响都得到改善。

结论

关于射频封装的理想解决方案近年来有许多研究，最重要的是要在成本、体积和性能需求之间谋求平衡。尽管引线框架技术中已取得显著的进展，而LTCC基板性能也已经得到提升，但是，在绝大多数的应用中，使用IPD集成和层压基板的技术还是最好的整体解决方案。

层压基板低成本、灵活性高、具有成熟的供应链和快速的制造周期。IPD可以制作出卓越的射频功能块，并能够象芯片或SMT器件一样方便地贴装在层压基板上。将层压基板和IPD结合在一起，为射频解决方案提供了一个非常广阔的范围。本文中所研究的两个GSM应用实例，仅仅在于说明典型的尺寸缩减，该技术同样可以应用在移动电视、GPS、WLAN和WiMax等设备的射频电路应用中。

作者：Kai Liu， Eric Gongora，STATS ChipPAC